高层建筑混凝土结构设计浅析

　　摘要：高层建筑结构的功能要求建筑结构在正常设计、施工、使用和维修条件下的功能要求有安全性、适用性、耐久性。结构可靠度就是要合理地确定结构的可靠度水平，使结构设计符合技术先进、经济合理、安全适用和确保质量的要求。如何才能达到结构的可靠度要求，那就必须是混凝土设计及施工满足要求。高层建筑混凝土结构的设计可以从诸多方面入手，更加合理，有效地节约成本。

　　关键词：高层建筑,混凝土结构,结构设计

　　引言：

　　高层建筑在当下的城市建设中越来越普遍，而且在高层建筑的施工过程中，混凝土的应用已经成为主流。高层建筑混凝土结构的设计也就显得尤为重要，不管是安全性、实用性还是耐久性方面，高层建筑的混凝土结构设计都需要精益求精，在保证设计原则的基础上找出一个最为合适合理的方法。

　　一、高层建筑结构设计特点

　　①侧向力(风或水平地震作用)成为影响结构内力、结构变形及建筑物土建造价的主要因素。高层建筑和低层建筑一样，承受自重、活载、雪载等垂直荷载和风、地震等水平力。在低层结构中，水平荷载产生的内力和位移很小，可以忽略不计：在多层结构中，水平荷载的效应(内力和位移)逐渐增大;在高层建筑中，水平荷载和地震力将成为主要的控制因素。

　　②结构应具有适宜刚度。随着高度的增加，高层建筑的侧向位移迅速增大。因此设计高层建筑时，不仅要求结构有足够的强度，而且要求结构有适宜的刚度，使结构有合理的自振频率等动力特性，并使水平力作用下的层位移控制在一定范围之内。

　　③结构应具有良好的延性。相对于较低楼房而言，高层结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。建筑结构的耐震主要取决于结构的承载力和变形能力两个因素。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免高层建筑在大震下倒塌，必须在满足，必要强度的前提下，通过优良的概念设计和合理的构造措施，来提高整个结构、特别是薄弱层(部位)的变形能力，来保证结构具有足够的延性。

　　二、混凝土结构设计的基本原则

　　1.1 建筑结构的功能要求建筑结构在正常设计、正常施工、正常使用和正常维修条件下的功能要求，有下列三个：①安全性。建筑结构在其设计使用年限内应能够承受可能出现的各种作用。②适用性。建筑结构在其设计使用年限内应能满足预定的使用要求，有良好的工作性能，其变形、裂缝或振动等性能均不超过规定的限度等。③耐久性。建筑结构在其设计使用年限内应有足够的耐久性。

　　1.2 结构可靠性是指结构在规定的时间内、规定的条件下，完成预定功能的能力。但是当建筑结构的使用年限到达或超过设计基准使用期后，并不意味该结构立即报废不能使用了，而是说它的可靠性水平从此要逐渐降低了，在做结构鉴定及必要加固后，仍可继续使用。结构可靠度是指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率，即结构可靠度是结构可靠性的概率度量。结构可靠度的分析就是要合理地确定结构的可靠度水平，使结构设计符合技术先进、经济合理、安全适用和确保质量的要求。

　　三、优化高层建筑中混凝土结构的具体方法

　　1.高强度混凝土和高强钢筋的合理使用。建筑的总造价包括上部结构的材料、基础及施工等费用，构件的截面尺寸和用钢量对造价的影响很大，设计中合理使用高强钢筋(如梁、板筋采用三级钢)可有效降低用钢量，节约成本。如果高层建筑位于深厚软弱地基上，由于作用于地基上的荷载很大，合理使用高强度混凝土和高强钢筋，可优化构件截面尺寸，减轻结构自重，将会降低基础施工的难度和造价，取得显著的经济效果。同时，对于地震区的高楼，地震作用的大小几乎与建筑自重成正比，减轻自重能够减小结构的地震荷载，有利于提高结构的安全度。在设计中合理的使用高强度混凝土和高强钢筋，能快速、有效的减少墙、柱、梁、板等构件的截面尺寸，降低用钢量，减轻建筑自重，最终达到降低造价的目的。

　　2.确保建筑结构设计均匀。在高层建筑的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀，平面长度不宜过长，突出部分长度不宜过大;高层建筑的竖向体型宜规则均匀，避免有过大的外挑和内收，结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向布置严重不规则的结构。相信大部分的结构工程师都曾遇过类似情况：当一幢高层建筑的结构平面布置和竖向布置简单、规则、均匀，那么其各项指标的校验验算会很容易满足规范的要求，反之，则需花一番苦功才能令各项指标勉强满足规范要求。结果可能是墙柱截面尺寸大得惊人，单位面积重量严重超标，不仅造价上去了，而且还影响部分建筑功能的使用。结构设计人员一定要注重概念设计，在建筑方案阶段就应积极介入，运用自己的专业知识提出建议，在满足美观、适用的前提下，尽可建筑结构的平面布置和竖向布置简单、规则和均匀。

　　这样一来，结构体系就会具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中。只有这样，到扩初设计和施工图设计阶段的截面尺寸优化才会有实质性的意义。

　　四、采用新型的高层混凝土结构设计方法

　　1、高层钢筋混凝土柱的设计。随着建筑物向高层发展，单个柱子承受荷载必然加大，这样的结构导致高层建筑柱子截面尺寸加大，使得建筑的有效使用面积减少。另一方面，由于层高的限制，往往造成高层建筑的若干层柱出现短柱，短柱对抗震是不利的。

　　2、普通钢筋混凝土柱。采用普通钢筋混凝土柱，一般在30层左右的高层钢筋混凝土建筑中就很难避免出现短柱现象。为了增强短柱的延性，目前设计中主要采取箍筋加密和设置复合箍筋的办法。同时，为了尽量减小柱截面尺寸，需尽可能地提高混凝土强度等级。

　　3、密排螺旋箍筋柱。采用密排螺旋箍筋柱既可提高柱子的延性，又能提高柱核心混凝土的强度。由于施工方法同于普通钢筋混凝土柱，因此，较受欢迎。在设计中如采用高强混凝土和密排螺旋箍筋将进一步减少柱的截面寸。

　　4、高强混凝土。在我国c50以上混凝土称为高强混凝土。在国内已有一些高层建筑使用高强混凝土，得到可观的经济效应.但目前推广应用上遇到几种困难：首先施工质量的控制，其次是开发商不愿意使用高强混凝土。其实其虽比普通混凝土价格贵一些。但由于柱子断面减小也带来的使用面积增大的经济效益。

　　5、钢管混凝土和型钢混凝土。钢管混凝土结构的研究在我国相对比较成熟，在高层建筑柱子的使用上有着广泛的前景，但目前还需加强两方面的工作：(1)在设计上尽量规范一些梁柱节点做法，最好有一本权威性的图集供设计人员参考：(2)是施工技术队伍的培养。型钢混凝土在我国已进行了大量的科学试验工作，但目前尚无统一的设计规程，已建的型钢混凝土柱的设计大都参照国外建筑的规范。

　　6、钢管混凝土和型钢混凝土。钢管混凝土结构的研究在我国相对比较成熟，在高层建筑柱子的使用上有着广泛的前景，但目前还需加强两方面的工作：(1)在设计上尽量规范一些梁柱节点做法，最好有一本权威性的图集供设计人员参考。(2)是施工技术队伍的培养，型钢混凝土在我国已进行了大量的科学试验工作，但目前尚无统一的设计规程，已建的型钢混凝土柱的设计大都参照国外建筑的规范。

　　7、高层建筑与裙房之间的处理。目前高层建筑和裙房之间的处理有两种观点：(1)高层钢筋混凝土结构在主楼和裙房之间。由于受力差异大等原因，需设置变形缝;(2)认为设缝会带来地下室防水、上部建筑立面处理等一系列的困难。最好是采取其它办法取消变形缝。当高层建筑位于建筑物平面中部时，且建筑物不是太长，能不设缝，尽量不设。而当高层建筑位于建筑物的边部和角部时，尤其是位于角部，应当适当设置变形缝。

　　结束语：

　　高层混凝土结构设计没有绝对最佳的标准模式，只有通过不断地探索、比较，去寻求相对的最优方式，才能逐渐的完善我们的设计，才能使我们的行业不断地追求尽善尽美的设计思想，不只盲目照搬规范和依赖计算机程序作设计，用自己的结构设计概念、经验、判断力和创造力为业主和社会设计出更好的建筑。

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　　[5]晏育松.高层建筑结构设计中的若干问题研究.南昌大学，2010

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